没有碳元素,便没有生命
汪小波
碳是生命科学中最重要的元素,虽然宇宙科学家推测,宇宙可能存在硅基生命。含碳的蛋白质、核酸、DNA等有机物是组成生命的重要物质,没有碳元素便没有生命。金刚石的人工合成、碳纤维的开发利用,以及石墨层间化合物、富勒烯(1996年诺奖)、石墨烯(2010年诺奖)、聚乙炔(2000年诺奖)、碳纳米管(2014年北大成果)和碳纳米泡沫(浙大成果)等材料的发现与合成,不对称合成化学(2001年诺奖)、超分子化学(2016年诺奖)、组合化学等与碳元素相关的新兴学科涌现,生物化学、分子生物学、药物化学等学科知识更新速度异常迅速。这些令人瞩目的成就,给人们展现了无限的想象。
● 结构生理功能繁多的蛋白质,一直是生命科学研究的热点。2014年6月清华大学颜宁教授在世界上首次解析了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构,揭示了其工作机制及相关疾病的致病机理。同年7月,清华大学施一公院士首次揭示了阿尔茨海默症发病直接相关的人源γ分泌酶复合物的精细三维结构。四川大学科学家发现组蛋白H2B单泛素化参与DNA损伤修复的调控新机制。
●金刚石中C原子间以SP3杂化轨道成键。金刚石的导热性能是铜5倍,其热量是通过原子间振动来传递的,这与金属靠自由电子传递热量不同。常温常压下石墨转化成金刚石是非自发的。1955年美国科学家霍尔在1650℃和95000atm下首次人工合成了金刚石。不久前,有人用瞬时爆炸产生的高压和急剧升温,也获得了人造金刚石。中科大科学家首先实现了金刚石燃烧的逆过程,即把低能、直线形的CO2变成了正四面体的金刚石。1998年北京大学科学家以CCl4为碳源成功合成金刚石。国外有人用SiC也合成了金刚石。地球上昂贵的金刚石,在巨蟹55星球上金刚石质量是地球质量的3倍。
●富勒烯C60、C70等具有封闭笼状结构的碳单质称为富勒烯,是分子晶体,C原子间以S0.305P0.695 杂化轨道成键(3条σ键,非共平面),C原子间还以S0.085P0.915 杂化轨道形成п键。分子呈球状,球内球外都围绕п电子云。北京大学也成功合成C60。C60可改善金属性能、作新型催化剂、贮存氢气(因C60分子有30条п键)、用于超导研究和医学研究、制造高分子材料和记忆材料等。C60是紫红色的分子晶体,不溶于水,在苯、二硫化碳、四氯化碳等中有一定溶解性。
●将单质碘掺杂在聚乙炔中,比原聚乙炔膜的导电性提高了1000万倍,具有与金属一样的导电性,利用这种材料可制造新型电子器件、可卷曲的电视大屏幕等。这是2000年诺贝尔化学奖成果。
●石墨是混合键型晶体,碳原子以SP2杂化轨道成键,彼此以σ键结合在一起,可以认为石墨是由许多层石墨烯以范徳华力结合在一起而形成的晶体,每一层中有大п键,有易流动п电子,相当于金属中的自由电子,故石墨能导热和导电,有金属晶体的特征。
●石墨烯是碳原子以SP2杂化轨道组成平面正六边形蜂巢状且只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年成功地从石墨中分离出石墨烯,曾认为这是一种无法单独稳定存在的结构。石墨烯是最薄最坚硬的透明纳米材料,比钻石还坚硬;石墨烯是人类已知强度最高的的材料,强度比钢铁还要高上100多倍(因碳碳键键能大于金刚石),若将石墨烯膜薄覆盖在一只杯子上,则需一头大象站在铅笔上,才能将其戳穿。可制作超轻防弹衣和超轻超薄型飞机材料;透光度好;导热性强;是世界上导电性最好的材料,电子在石墨烯里好像没有质量一样,运动速度非常快(可达到光速的三百分之一),石墨烯电池可实现1分钟充电,石墨烯将替代硅来生产大型超级计算机。石墨烯独特而优秀的品质,将给许多领域带来革命性变化。美国两名华裔科学家用透明胶带粘在一块石墨上,撕下来后又将胶带粘到了一块面积只有1平方英寸的硅片上,再将胶带从硅片上撕下来,这样数千小片石墨都粘到了硅片上。目前石墨烯是黄金价格的几十倍,石墨烯的相关产品尚处于研发和概念阶段。
●石墨层间化合物:石墨是具有层状结构的晶体,层与层之间有较大的空隙,靠范徳华力结合,易插入碱金属、卤素和卤化物等而形成石墨层间化合物,如C8K、C24K、C36K 。 石墨层间化合物的应用十分广泛,可作电极材料、轻型优质导电材料、固体润滑剂、贮氢材料、同位素分离材料、新型催化剂等。
●碳纳米管 1991年由日本物理学家饭岛澄男发现。碳纳米管的强度比同体积钢的强度高300倍,密度却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。 碳纳米管的是目前已知材料中熔点最高的。碳纳米管上碳原子P电子形成大范围的离域π键,碳纳米管具有良好的导电性能。单壁碳纳米管可看作是由石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圆柱体,根据卷曲方式的不同,可以是金属性导体或半导体。这是碳纳米管的一个独特而优异的性质,但也为其制备带来了巨大的挑战,用一般方法合成的样品均为不同结构的碳纳米管组成的混合物,单一手性单壁碳纳米管的选择性生长成为一个难题。北京大学李彦教授提出一类钨基合金催化剂,这种催化剂纳米粒子具有非常高的熔点,以此为催化剂,就能够生长出具有特定结构的单壁碳纳米管,相关论文发表在2014年7月国际顶尖的《自然》杂志上,是一项世界级科研成果。
●碳纳米泡沫是由约含4000个C原子的原子团簇构成,直径约6纳米,无数个原子团簇连在一起形成纤细的网。在碳纳米泡沫中有许多未成对电子,使之具有磁性,未来有可能将其注射入人体,用来改善核磁共振成像的清晰程度,碳纳米泡沫的密度约2mg/cm3. 而浙江大学的全碳气凝胶固态材料密度约0.16mg/cm3,仅为空气的六分之一,是目前世界上最轻的材料,这种材料具有高弹性、高吸附性。
●聚丙烯腈通过预氧化、碳化而制得碳纤维。因此,碳纤维是有机纤维经碳化和石墨化处理而得的微晶石墨材料。密度是钢的四分之一,强度却是钢的近10倍,显示了碳纤维卓越而广阔应用前景。空客380平均每位乘客每百公里油耗仅3L(相当于小汽车的油耗),而波音787的油耗更低,其幕后英雄便是碳纤维。价格不菲的碳纤维自行车也进入我们的生活中,四川省夹江县年产10万辆高档碳纤维自行车生产线已建成投产。
●关于不对称合成。据2012年9月2日CCTV报道,50年后反应停事件(又称为沙利度胺事件)的受害者在徳国某制药厂示威游行,要求赔偿损失。曾给孕妇服用的是沙利度胺的外消旋体,其中一种不致畸,另一种对映异构体致畸,使生下的婴儿手脚畸形。这一事件直接导致不对称合成成为20世纪90年代有机化学研究热点之一。四川大学在有机化学的不对称合成方面取得了国际一流成就,其中一类化学反应就是用该校冯小明院士的名字来命名的。
●超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学。生物体中执行生命功能的是无数个超分子体系,如在细胞内的生物化学过程(DNA与RNA的合成、蛋白质的表达与分解、脂肪酸合成与分解、能量转换等)都由特定超分子体系来执行。我们在很长的时间里重视对化学键的研究,而超分子化学的出现,才使今天的人们认识到范徳华力、氢键(2013年中国科学家在国际上首次成功拍摄到氢键的照片)这些弱相互作用同样十分重要性。目前已知的3 000多万种分子,都可在不同层次上组装成数不清的具有特殊功能的超分子体系。超分子化学开拓了制造新物质与新材料的途径,目前已发展成了超分子科学,是21世纪科学研究的热点之一。
●20世纪90年代化学家将数学中的组合原理应用到化学合成领域。它是将化学合成、组合理论、计算机结合一体,并在短时间内生成化合物库,然后对库成分进行筛选优化,得到目标化合物结构的一门科学。组合化学方法和传统的有机合成方法在劳动强度和工作效率方面有着巨大的优势。组合化学在新材料的开发、催化剂筛选、新药物的合成与筛选(运用组合化学原理进行药物合成是药物合成化学上的一次革命)、新农药的合成和筛选等方面有着广泛的应用前景。21世纪是绿色化学的世纪,绿色化学要求化学反应的原子利用率100%,组合化学是实现绿色化学的必经之路。
●环境保护方面。美国和丹麦的科学家利用计算机筛选出可在低压下将二氧化碳转化为甲醇的新型催化剂Ni5Ga3。利用计算机对化学反应进行模拟,预测出传统化学实验结果,即在电脑上进行化学实验,该成果获2014年诺贝尔化学奖。北京大学顾雨春教授在一氧化碳的生理学功能研究方面居世界前沿,顾教授揭示了一氧化碳作用在肾脏上参与水盐代谢和重吸收;作用在血管可以促进血管内皮生长,放松血管使其通畅、柔软、有弹性;作用于心脏可以保护缺血心脏,一氧化碳也可望应用于治疗和控制帕金森氏症、阿尔兹海默综合症。可见,一氧化碳和一氧化氮这两种大气污染物有相似的生理学功能。伟哥之父路易斯·伊格纳罗,发现一氧化氮在心血管系统的重要作用,让人们远离心血管疾病,而获得了1998年诺贝尔医学奖。
汪小波,四川省夹江中学退休教师,四川省特级教师。曾任多届夹江县政协常委、夹江中学教科室主任。曾获乐山市优秀人才、乐山市优秀教师、夹江县首届名教师等称号。发表论文论著80多篇(部),有多个教育科研课题获省市成果。
赵文碧,四川省青神县河坝子人,三苏文学社社长、主编,擅长写散文与地方传说,代表作品有《火烧玉蟾寺》、《丞相敬师》等,作品常见于《三苏文学》微信公众号、江山文学网、都市头条、金榜头条、美篇、百度等。
个人简历
唐小虎,笔名:梦里,酷爱文学。喜爱散文、歌词创作。《三苏文学》常务社长,微信号/wxid_s3otpbxws4pn21,青神县作家协会会员。与音乐走廊合作之歌曲《锦绣青神》、《相知相守风雨同舟》、《南方的雪》等广为传唱。被百度音乐、MVBOX、酷狗等音乐平台收录其中。多篇散文作品在省、市级多家自媒体平台发表;主要作品:《青神之夜》、《峨眉情缘》、《老家的味道》、《天下太平 人皆向往》、《汉阳时光:一捧江水 半轮诗月》、《桂花香溢 岁月沉香》、《“东方明珠”之印象.白果》、《开放包容之浪漫丽江》、《腾冲之约》、《梦幻泸沽湖,摩梭走婚俗》、《洱海的风令人醉》、《邛海结缘》等。
三苏文学将在每年年底评选当年三苏文学的优秀作者,按投稿量、浏览量、评论数、获精次数、上红榜各占25%,前三名将获得精美荣誉证书及至尊奖杯,并同时在《三苏文学》微信公众号、都市头条、金榜头条、今日头条、百度等平台广泛颁布彰显荣耀,到时可以做现场颁奖活动。欢迎文学老师们踊跃参加、积极支持、互相转告。